经验案例

土壤离子感测器阳离子交换容量 (CEC)

粘土颗粒和有机物的表面带负电，因此能够储存和供应带正电的植物养分（即阳离子）。土壤矿物颗粒和/或有机物质从土壤溶液中吸收和去除阳离子的过程称为阳离子交换。
土壤的阳离子交换容量 (CEC) 定义为其在特定 pH 值下可吸附的可交换阳离子的总和。可逆化学反应中可交换阳离子的阳离子交换在土壤肥力和营养研究方面是重要的品质。

土壤中最重要的可交换阳离子是
钙（Ca 2+），
镁（Mg 2+），
钠 (Na + ),
钾 (K + ),
氢气 (H + )，和
铝（Al 3+）。
潮湿地区土壤中四种最丰富的可交换阳离子是：氢、钙、镁和钾。其中，除氢外，均被植物大量吸收。位于较不潮湿地区（即干旱和半干旱地区）的土壤通常含有很少或不含可交换氢，并且通常含有大量可交换钠。在澳大利亚东南部的灌溉棉花种植区发现的许多土壤剖面就是这种情况。
土壤的有效 CEC 由土壤中存在的五种最丰富的阳离子之和计算。这包括钙、镁、钾、钠和铝的阳离子。在碱性条件下，这些可交换阳离子的总和大约等于 CEC。
CEC 以每百克土壤吸附的阳离子毫当量 (me/100g) 或每千克电荷的厘摩尔数 (cmol(+)/kg) 表示。前一个单位用于较旧的出版物。但是，应该记住，以 me/100 g 或 cmol(+)/kg 表示的值是等效的。
就土壤粒径分数而言，沙子几乎没有 CEC，而淤泥具有较小的 CEC。考虑到在该粒度级分中发现的多种矿物（即次生硅酸盐矿物和其他次生矿物），粘土粒度的颗粒具有宽范围的 CEC 值。因此，对于各种土壤质地类别，只能建议一般的 CEC 水平。

土壤	质地	金沙	细砂壤土	壤土和淤泥壤土	粘土	粘土
cmol(+)/kg	中电	1-5	5-10	5-15	15-30	>30

土壤保持钙、镁、钾和钠（以及酸性土壤中的氢、铝，有时还有锰）主要阳离子的能力被广泛用于农业评估。这是因为它是衡量土壤总体肥力的指标。
如果土壤具有很大的阳离子交换能力，而这可以通过钙、镁、钾和钠等阳离子来满足，则需要大量的氢来显着改变 pH 值，从而改变化学和物理性质。在这种情况下，土壤被认为是高度缓冲的。同样，主要以氢为主的土壤胶体需要大量的钙、镁和其他碱阳离子来改变其特性。
土壤风化的相对程度也可以从 CEC 推断出来。这是因为土壤溶液中可交换阳离子的主要来源是矿物风化（即原生矿物）。低 CEC 值表明原生矿物在风化过程中消失，而低 CEC 的次生粘土矿物积累。高岭石、三水铝石和铁的游离氧化物（例如赤铁矿）是高度风化土壤剖面中的主要粘土矿物。
相反，较高的 CEC 值与风化程度较低的土壤有关，主要矿物风化会在几年内缓慢释放养分。在这种情况下，它们充当植物营养储备。伊利石和蒙脱石等粘土矿物是风化缓慢的干旱和半干旱地区土壤的特征。
因此，可以从 CEC 中推断出土壤中存在的粘土矿物。通常已经发现，粘土矿物表现出通过醋酸铵法测量的一系列 CEC 值（cmol(+)/kg）。

黏土	矿物	三水铝矿针铁矿	高岭石	伊利石和绿泥石	蒙脱石	蛭石
cmol(+)/kg	中电	0-4	3-15	10-40	80-150	100-150

土壤中可交换的钙、镁、钾和钠的总和，也提供了土壤收缩膨胀潜力（恢复力）的粗略指标。弹性土壤是在破坏力（例如重型机械车轮下的土壤压实）被去除后，能够通过自然过程形成理想结构的土壤。
能够通过干燥时收缩和潮湿时膨胀的过程自然促进收缩裂缝发展的土壤将有助于在土壤中形成稳定的垂直裂缝，这将促进根系生长以及有机物质和水向底土的吸收。此外，蚂蚁和蚯蚓等土壤动物群的活动将得到维持。
随着 CEC 的增加，土壤通常会变得更具结构弹性。因此，可以从 CEC 中辨别与 CEC 值和适当管理相关的土壤恢复力的关键限值。低 CEC 值表明收缩膨胀潜力差，而高 CEC 值表明潜力良好。
一般而言，CEC 值小于 20 cmol(+)/kg 表明土壤的收缩膨胀潜力较差。但是，如果特定土壤剖面的底土比表土更具弹性，则可以考虑使用犁板犁反转剖面。
CEC 值在 20 到 40 cmol(+)/kg 之间表明土壤具有中等收缩膨胀潜力。然而，一般而言，自然收缩膨胀循环会使压实的土壤松散，为了加速这一过程，需要某种形式的耕作。还应考虑使用可增强生物孔形成的轮作作物（即须根）。
大于 40 cmol(+)/kg 的 CEC 值具有良好的收缩膨胀潜力，自然收缩膨胀循环能够松动压实的土壤层。该范围内的 CEC 值表明存在天然溶胀粘土，例如蒙脱石。